扫描式眼波前像差系统的夏克–哈特曼波前传感器质心探测研究

针对扫描式眼波前像差系统难以消除所有视角方向系统噪声的问题,提出了一种在大噪声条件下准确定位光斑阵列的质心并进行波前重建的方法。首先使用中值滤波与数学形态学方法对图像进行全局处理;接着使用改进的最大间类方差方法选取每个子孔径的阈值;然后通过Suzuki轮廓跟踪算法确定需要计算的光斑窗口;最后结合所提出的中值面积法精确定位光斑质心。通过对比发现,传统方法对此类大噪声条件下的真实光斑已无法进行判别,而新提出的方法可以进行正确识别,重建波前的PV值误差小于0.015λ,RMS小于0.001λ,说明该方法的准确度与稳定性明显优于传统方法。

Shack-Hartmann波前传感器图像自适应阈值的选取

Shack-Hartmann(S-H)波前传感器光斑图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响。本文分析了S-H波前传感器光斑图像的特点,研究了光斑图像阈值对质心探测精度的影响,在此基础上提出了一种基于灰度直方图原理的多峰自适应阈值选取方法。实验结果表明,对于信噪比>4的S-H波前传感器光斑图像,本方法能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值;但对于信噪比<4的图像,分割效果不是很理想。将使用本阈值算法的S-H波前传感器应用到自适应光学系统中进行闭环校正实验,结果显示,校正后的系统波前误差从10.41λ(PV值,λ=632.8nm)降低到0.12λ,基本达到了衍射极限水平,表明本方法可以满足S-H波前传感器的实用要求。

哈特曼波前传感器的应用

夏克—哈特曼（S－H）波前传感器可以用很高的采样频率同时测量出光场的相位分布和强度分布。它不仅作为波前传感器广泛地应用于自适应光学系统之中，而且还用于光学元件和光学系统的检测、激光光束质量诊断和大气扰动测量之中。我们研制了一系列S－H波前传感器。本文总结了这些传感器在不同领域的测量结果。

用Hartmann－Shack传感器测量激光束的波前相位

Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ传感器已经用于自适应光学系统。它可以同时探测出一束光的振幅和相位信息。通过一个位置传感器，比如ＣＣＤ，它就可以成为一种对光学系统和光束的静态和动态质量诊断的有力工具。从Ｈ－Ｓ波前传感器的输出（波前斜率和近场强度分布），就可以推算出远场特点，如ＰＳＦ和ＯＴＦ。本文将介绍波前重构的理论分析和远场特征评估。同时也给出了光束质量的静态和动态的测量结果。

夏克-哈特曼波前传感器的探测误差

夏克—哈特曼（S－H）传感器的探测误差是自适应光学系统的一个主要误差源。本文主要分析了S-H传感器的系统误差和随机误差，其误差源包括：CCD相机的读出噪声和背景电平，探测的像素数以及光子噪声。通过在计算哈特曼传感器子光斑质心时设定一个阈值可以大大提高传感器的探测精度。本文同时列举了实验数据和理论分析结果。

人眼像差探测哈特曼波前传感器的质心优化

为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度,对由CCD采集的波前光斑图进行了质心探测研究。介绍了波前传感器的工作原理,根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点,提出了一种动态定位光斑区域、动态分割区域内部阈值以及锁定最优探测窗口的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响,并通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和算法对噪声影响的鲁棒性。实验结果表明,光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适;与其他方法相比,自适应质心探测方法的探测误差减小了60%以上;将该探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中,可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785nm),达到衍射极限,并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数,弥补了传统算法的局限性,基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。

自适应光学系统中变形镜和波前传感器共轭位置要求的分析

通过对几何光学和物理光学模型的数值计算,分析了自适应光学系统中小像差畸变波前在空间自由传播时自身的变化情况,进而给出了系统中对变形镜和波前探测器与被校正瞳面之间共轭位置关系的要求和允许范围。结果表明,波前自由传播时的变化程度决定于像差自身的类型和大小、光束的口径以及传播的距离,大口径小像差波前近距离传播时波前变化误差很小。一般来说,变形镜和波前传感器偏离被校正瞳面共轭位置距离满足菲涅尔数大于1000时,对系统校正效果的影响可以忽略。实际应用中,应该根据校正对象的特征来具体计算波前误差随传播距离的变化,从而设计波前传感器和变形镜的位置,以及选择使用4F光学系统。本文的分析可以为自适应光学系统的整体光路设计提供一定理论参考。

一种Hartmann-Shack波前传感器图像的自适应阈值选取方法

在Hartmann-Shack波前传感器中,图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响。根据 模式识别理论,提出一种适用于Hartmann-Shack波前传感器图像阈值选取的新方法棗基于类别方差的自适应门限方法。实验结果表明,本方法在Hartmann-Shack波前传感器图像信噪比大于3时,能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值。

增大夏克-哈特曼波前传感器动态测量范围的方法

为了使夏克-哈特曼波前传感器(HS)在具有高灵敏的同时又能获得大的动态测量范围,介绍了一种能够增大HS动态测试范围的软件处理方法-外推法。在运用外推法时,首先需要找出任意子孔径(A)对应的焦斑位置作为起始点,然后利用外推法得到与A相邻的子孔径(B)内的焦斑位置,再以B内的焦斑位置作为起始点外推得到与B相邻的其它子孔径内的焦斑位置,依次类推,直至把所有子孔径内的焦斑全部找到。文中利用实验对外推法的可行性和实用性进行了验证,结果表明,在超出HS动态测量范围2倍的情况下,利用外推法可以完美地复原波面,基本解决了HS的动态测量范围和灵敏度相互矛盾的问题。

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明:Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求;Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜。研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件。为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性。

H-S波前传感器在测量光束质量因子M^2中的应用

仿真研究了H-S测量2M因子等光束质量指标的全过程和可行性。结果表明,由H-S测量的圆形光束的2M因子值与原始光束的2M因子值基本相当,有很好的一致性。由此认为,H-S除了可以评价远场测量系统探测得到的光斑的各种量,比如PSF,OTF,衍射极限,环围能量等远场特性,而且还可以从2M因子来说明光束质量的特性。

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于λ/50RMS(λ=632.8nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1m、焦距11m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39λ～0.46λRMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。

高功率固体激光装置哈特曼传感器参考波前标定方法

在高功率固体激光驱动器中,参考波前标定是自适应光学系统应用过程中的关键技术之一。基于国内某大型激光原型装置光路特点,对比研究了两种不同的参考波前标定方法,详细分析了两种方法的标定过程和影响标定结果准确性的主要因素,选取了较为准确的参考波前标定结果。基于该参考波前,对AO系统闭环和开环条件下的远场进行了对比测试,实验证明了标定结果的有效性。该研究结果成功应用于该激光原型装置的AO系统波前补偿实验。

孔阵波前传感器

介绍了用小孔阵列代替透镜阵列的孔阵波前传感器的原理,并用这种传感器直接测量了3.8μm DF高功率激光束的相位面。

剪切干涉仪与哈特曼波前传感器的波前复原比较

对横向剪切干涉仪和哈特曼波前传感器的波前探测和复原进行了类比推导和仿真计算。结果表明 ,在相同输入波前、相同探测面元、相同拟合函数及阶数的情况下 ,横向剪切干涉仪的波前复原能力比哈特曼波前传感器强。主要原因是前者对波前的间接采样所包含的波前信息大于后者 ,并且前者比较容易增大对波前的采样。

哈特曼传感器对湍流畸变波前的泽尼克模式复原误差

分析了应用哈特曼传感器测量大气湍流畸变波前时 ,哈特曼传感器的泽尼克模式复原误差与子孔径划分形式、泽尼克模式复原阶数等的关系 ,给出了科尔莫哥洛夫湍流下计算哈特曼传感器模式复原误差的公式。对比分析了 8× 8子孔径划分和 32×

哈特曼波前传感器光斑质心探测窗口的自动确定方法研究

根据在进行激光系统输出波前诊断时使用Hartman传感器探测到的光斑特点,提出一种基于光斑特征识别的自动搜寻并选取光斑质心探测窗口的新方法。通过对仿真光斑阵列的计算和对实际采样图像的实验,验证了这种方法的可行性和探测精度。

一种新型的自基准哈特曼波前传感器

根据波前径向斜率测量原理,提出一种利用五棱镜扫描方法实现了新型自基准哈特曼波前传感器,其突出优点和特点是毋需任何外部信标或标准大平面反射镜提供工作基准。理论分析和实验结果表明,该传感器波前传感灵敏度与干涉仪相当,而对工作环境和光源并无苛刻要求,可用于天基主动光学系统、地基天文望远镜和大口径平行光管等的装校检验。

提高Hartmann波前传感器质心探测精度的阈值方法

详细地讨论了Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质心探测的误差来源。主要讨论了光量子起伏、ＣＣＤ的背景电子噪声引起的质心探测误差，并对采样阈值对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质心探测精度的影响进行了分析，计算结果表明采取阈值的方法对提高质心的探测精度是非常有利的。本文对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器的优化设计以及实际操作提供了一定的理论依据。